1. februar 2022

Ny analyse fører til et fundamentalt anderledes syn på supertunge sorte huller

Astrofysik:

I midten af næsten alle galakser ligger et supertungt sort hul. Nogle af disse sluger gas og støv omkring dem og udstøder den overskydende energi som kraftige jets, der ses som kvasarer på tværs af det observerbare Univers. En ny undersøgelse ledet af astronomer ved Cosmic Dawn Center har re-analyseret denne proces hjælp af nye teknikker — og resultaterne kan ændre vores opfattelse af disse kosmiske monstres kostvaner.

Kunsterisk opfattelse af kvasaren ULAS J1120+0641 (kredit: ESO/M. Kornmesser).
Kunsterisk opfattelse af kvasaren ULAS J1120+0641 (kredit: ESO/M. Kornmesser).

Astronomer mener, at der i galaksernes centrum for de flestes vedkommende ligger et “supertungt” sort hul, millioner eller endda milliarder gange tungere end vores Sol. Med deres ekstreme tyngdekraft er de i stand til at sluge enorme mængder gas, støv og somme tider endda stjerner, der har forvildet sig for tæt på.

Fysikken fortæller os, at dette stof har en tendens til at danne en skive, når det hvirvler ned i det sorte hul, i et fænomen kaldet ”tilvækst“. Disse tilvækstskiver er nogle af de mest utiltalende, voldsomme steder i det kendte Univers, med hastigheder der nærmer sig lysets, og temperaturer langt højere end vores Sols overflade. Varmen producerer stråling, som vi ser som lys, men omdannelsen af varme til lys er så effektiv — omkring 30 gange mere effektiv end kernefusion — at fysikere ikke helt forstår hvordan.

Det supertunge sorte hul i midten af galaksen M87.
Det supertunge sorte hul i midten af galaksen M87. Striberne viser det polariserede lys fra gassens elektriske felt, der hvirvler ned i det sorte hul(kredit: EHT Collab. et al. 2021).

Sultne, kosmiske monstre

De sorte hullers kostmønstre spænder vidt: Nogle, som dét i vores egen Galakse, er ikke særlig sultne og ser ikke ud til at have nogen tilvækstskive. Men vi ser andre galakser med glubende sult, hvis supermassive sorte huller har fået ekstremt varme tilvækstskiver så lysstærke, at de overstråler alle stjernerne i deres galakse.

Først for nylig har vi fået vores første billede af en tilvækstskive fra Event Horizon Telescope, et verdensomspændende netværk af radioteleskoper. I dette tilfælde ligger tilvækstskiven dog en relativt meget nærliggende galakse. Men vi kan ikke gentage dette eksperiment med fjernere galakser, da skiverne simpelthen er for små, og selv de største af vores teleskoper ikke har høj nok opløsning til at se disse detaljer.

Variabilitet er nøglen

Heldigvis virker en anden metode til at undersøge de fjerne tilvækstskivers størrelse og struktur lovende: Selvom vi ikke kan opløse skivernes forskellige komponenter, kan vi studere, hvordan dens lysstyrke varierer over tid. Ved at studere disse variationer kan vi danne os et billede af tilvækstskiverne i selv de fjerneste galakser.

Det er hvad John Weaver, Ph.d.-studerende ved Cosmic Dawn Center, har gjort ved at se på tidligere observationer af mere end 9.000 galakser med klare tilvækstskiver — de såkaldte kvasarer — fra observationsprogrammet “Sloan Digital Sky Survey”.

Når lyskilden ikke er opløst, vil det observerede lys fra tilvækstkiven blive "forurenet" af lys fra den galakse, som er vært for det sorte hul. Dette uønskede lys fra værtsgalakserne er stort set blevet ignoreret af tidligere undersøgelser. Men ved at bruge en ny model for variationerne i kvasarlyset var John Weaver og hans samarbejdspartner Keith Horne, professor i astronomi ved University of St. Andrews, i stand til at adskille tilvækstskivens lys fra værtsgalaksens lys.

Med andre ord giver modellen en mere direkte metode til at se lyset fra tilvækstskiver omkring supermassive sorte huller, selv i galakser som ligger milliarder af lysår væk.

Formørket af støv

Hvad Weaver og Horne fandt ud af var, at kosmisk støv i nærheden af tilvækstskiven sandsynligvis blokerede deres udsyn. Ved at bruge flere forskellige modeller af kosmisk støv til at tage højde for, og fjerne, støvets formørkende effekt, var de i stand til at bestemme, hvor varm tilvækstskiven er, både tæt på det sorte hul og langt fra det, ved skivens yderkant.

Denne temperaturforskel mellem den varme indre skive og den kolde ydre skive er tidligere blevet forudsagt teoretisk. Men det som Weaver og Horne har fundet observationelt, var et helt andet billede af skivens temperatur: skiverne viste sig at være endnu varmere tæt på de sorte huller end forudsagt. Disse uventede resultater blev offentliggjort i dag i Monthly Notices of The Royal Astronomical Society og tyder på, at vores antagelser og teoretiske modeller skal revideres — med konsekvenser for vores forståelse af supertunge sorte huller.

Ikke alene har vi mere at lære om supertunge sorte huller, men variationerne i deres glubende sult er en forunderlig demonstration af, at vores Univers er et langt mere dynamisk sted, end man vil forvente ved at betragte den statiske nattehimmel.